CN113708722B - 一种基于llc拓扑光伏发电系统的mppt控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，包括对光伏发电系统进行软起动，采集光伏板的输出电流I_pv，判断I_pv是否大于阈值η，若大于，根据LLC电路的最小开关频率f_min和最大开关频率f_max确定f₁和f₂，f_1＝f_min，f_2＝f_max，通过f₁和f₂计算出[f₁，f₂]内的f₃、f₄和f₅，计算出当前f₃，f₄，f₅对应的光伏板最大输出功率P_max和最小输出功率P_min，判断P_max与P_min的差值是否小于误差值ξ，若小于，得出最终的最大功率P_max＝P(f₃)，将f₃转化为脉冲信号，驱动光伏发电系统中开关管Q₁‑Q₄，即将光伏发电系统控制在最大功率点上。

Description

一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，涉及一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法。

背景技术

近年来，我国经济快速发展的同时伴随着巨大能源消费，日益增长的能源需求与供应是我国必须面临的双重挑战。煤炭消费占据我国能源需求的近70％并将继续在推动我国经济发展中起着关键作用。然而过度依赖化石能源不仅导致我国能源逐渐短缺而且会对我国环境造成严重污染。有效利用可再生能源能很好地改善我国能源供应结构同时避免环境恶化。在各类可再生能源中，太阳能是完全可再生、无污染且极易获取的能量资源，太阳能光伏发电的发展势头迅猛，潜力巨大，是包括中国在内的世界各国争相研究的热点技术。

光伏电池(Photovoltaic Cell)作为光伏发电关键元件之一，深刻影响着太阳能光伏发电的效益，太阳能电池的特性和效率是光伏电池研究的重点问题。然而，光伏电池输出特性具有非线性，它的输出特性受光照强度、环境温度、环境湿度、地域和负载等环境影响。在不同的工作环境下，光伏电池板表现出不同的输出特性曲线。而在同一条输出特性曲线上，不同的输出负载条件也会输出不同的功率值。当输出电压等于某个对应值时，输出功率达到最大值，称此时所在的功率输出点为光伏电池的最大功率点(Maximum PowerPoint,MPP)。因此，需要确保在任何时都能跟踪到最大功率点，使得光伏电池板以最大功率值输出。从而最大功率点追踪(MPPT)是提高光伏发电系统性能的关键技术之一。

LLC谐振变换器作为光伏发电系统的DCDC拓扑具有以下优点：

1)高开关频率，高效率；

2)宽负载范围，高增益范围和宽输入电压范围；

3)将变压器漏感用作谐振元件，减少总零件数量；

4)串联谐振电容器可为变压器提供有利的直流阻隔。

现有主流的MPPT方法大多采用的是扰动观测发(P&O)和电导增量法(INC)以及一些改进方法(如变步长等)，但上述两种方法在LLC谐振变换器中不能同时兼顾扰动速度和精度，在稳态工作点因震荡而损失能量等一些缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，解决了现有拓扑为LLC谐振变换器时MPPT方法不能同时兼顾扰动速度和精度的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，包括以下步骤：

步骤1，对光伏发电系统进行软起动；

步骤2，采集软起动后光伏板的输出电流I_pv，判断所述电流值是否大于阈值η，若大于，进入步骤3，否则进入步骤1；

步骤3，根据LLC电路的最小开关频率f_min和最大开关频率f_max确定第一开关频率f₁和第二开关频率f₂，f₁＝f_min，f₂＝f_max，通过f₁和f₂计算出[f₁，f₂]内的第三开关频率f₃，第四开关频率f₄和第五开关频率f₅，其中

式中，a和b都是常数，且a+b＝2；

步骤4，计算出当前三个开关频率f₃，f₄，f₅对应的光伏板最大输出功率P_max和光伏板最小输出功率P_min；

步骤5，判断P_max与P_min的差值是否小于所预设收敛的误差值ξ，若小于，进入步骤7，否则进入步骤6；

步骤6，根据P_max更新f₁，f₂，f₃的值，再根据更新后的频率f₁、f₂、f₃，以及公式(2)和(3)更新频率f₄和f₅，然后进入步骤4；

步骤7，得出最终的最大功率P_max＝P_pv(f₃)，即完成基于LLC拓扑光伏发电系统最大功率点的追踪，输出最大功率对应的频率f₃，将频率f₃转化为脉冲信号，驱动光伏发电系统中开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄的通断，即将光伏发电系统控制在最大功率点上。

其中，步骤3还包括以下步骤：

步骤3.1，绘制P_pv-f_s曲线图，P_pv为光伏板输出功率，f_s为开关频率，s＝{1,2，……，n}；

步骤3.2，将P_pv-f_s曲线图划分为三部分，分别为[f₁， 和/>

步骤3.3，判断的符号，若为负，则最大功率点位置在内，取a值大于1.1，b值小于0.9，若为正，进入步骤3.4；

步骤3.4，判断的符号，若为正，则最大功率点位置在内，取a值小于0.9，b值大于1.1；若为负，则最大功率点位置在内，取a和b的值在[0.9，1.1]内。

步骤3.1中，根据光伏板输出功率P_pv与开关频率f_s的函数关系绘制P_pv-f_s曲线图，P_pv与f_s的函数关系如下：

LLC谐振电路的电压增益表达式为

上式中，G代表电压增益，F_x代表标准化频率，f_s代表开关频率，s＝1，2，3，4，5，f_r代表谐振频率，Q代表品质因数，L_n代表谐振电感与励磁电感的比值，/>Lr是谐振电感，Lm是变压器的励磁电感，C_r代表是谐振电容，R_ac是LLC电路的等效电阻。

假设没有损耗，根据能量守恒定律：，

式中，V_pv代表光伏板输出电压，I_pv代表光伏板输出电流，R_L代表变换器负载电阻，V_o代表变换器负载R_L上的电压，I_o代表流过变换器负载R_L的电流；

则变换器负载吸收功率P与电压增益G的关系式为

光伏板输出功率P_pv与光伏板输出电压V_pv的关系式为

I_sc和V_oc分别是光伏板的短路电流和开路电压，其中：

式中，C₁代表第一系数，C₂代表第二系数，V_m和I_m分别是光伏板最大输出功率时对应的输出电压和输出电流。

根据公式(4)-公式(10)推出光伏板输出功率P_pv与开关频率f_s的隐函数，如下：

P_pv＝P(f_s) (11)

步骤4中，根据光伏板输出功率P_pv与开关频率fs的隐函数计算出开关频率f₃，f₄，f₅对应的光伏板输出功率，其中

P_max＝max{P_pv(f₃)，P_pv(f₄)，P_pv(f₅)} (12)

P_min＝min{P_pv(f₃)，P_pv(f₄)，P_pv(f₅)} (13)

式中，P_pv(f₃)为第三开关频率f₃对应的光伏板输出功率，P_pv(f₄)为第四开关频率f₄对应的光伏板输出功率，P_pv(f₅)为第五开关频率f₅对应的光伏板输出功率。

步骤6中，根据P_max更新f₁，f₂，f₃的值，若P_max＝P_pv(f₃)，则f₁＝f₄，f₂＝f₅，f₃＝f₃。

步骤6中，根据P_max更新f₁，f₂，f₃的值，若P_max＝P_pv(f₄)，则f₁＝f₁，f₂＝f₃，f₃＝f₄。

步骤6中，根据P_max更新f₁，f₂，f₃的值，若P_max＝P_pv(f₅)，则f₁＝f₃，f₂＝f₂，f₃＝f₅。

本发明的有益效果是，解决了传统P&O和电导增量方法在基于LLC电路的光伏发电MPPT技术上的不足，传统方法中动态效果和稳态效果不能兼顾，例如如果动态效果迅速，则稳态效果就会发生震荡，损耗电路效率，如果稳态震荡要小，则动态效果缓慢，到达最大功率点的时间就会加长，对比传统的中值变频MPPT方法，本发明通过常数a和b的设计，在不同光伏板功率和开关频率的曲线上可以提高动态追踪效果，使动态效果迅速时，逐渐减小稳态震荡，从而减少损耗，提高精度。

附图说明

图1为本发明实施例中太阳能光伏发电系统的拓扑图；

图2为本发明一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中固定输出负载不同开关频率的负载吸收功率曲线；

图4为本发明实施例中P_pv-f_s曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明是一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，其拓扑图如图1所示，图中Lr是谐振电感，Lm是变压器的励磁电感，Cr是谐振电容，Q₁、Q₂、Q₃和Q₄均为开关管。

本发明一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，参照图2，包括以下步骤：

步骤1，通过电压传感器和电流传感器检测出光伏电压U_pv和电流I_pv，并计算出功率P_pv＝U_pv·I_pv，对光伏发电系统进行软起动；

步骤2，采集软起动后光伏板的输出电流I_pv，判断I_pv电流值是否大于阈值η，该阙值是判断LLC变换器是否开始以高频运行，取值较小，此实施例中阈值η＝0.5A，若大于，进入步骤3，否则进入步骤1；

步骤3，根据LLC电路的最小开关频率f_min和最大开关频率f_max确定第一开关频率f₁和第二开关频率f₂，f_min＝0.5f_r，f_max＝2f_r，f_r为谐振频率，f₁＝f_min，f₂＝f_max，通过f₁和f₂计算出[f₁，f₂]内的第三开关频率f₃，第四开关频率f₄和第五开关频率f₅，其中

式中，a和b为常数，且a+b＝2；

步骤3还包括以下步骤：

步骤3.1，根据光伏板输出功率P_pv与开关频率f_s的函数关系绘制P_pv-f_s曲线图，s＝{1,2，……，n}，P_pv与f_s的函数关系由以下方法得出：

LLC谐振电路的电压增益表达式为

上式中，G代表电压增益，F_x代表标准化频率，f_s代表开关频率，s＝1，2，3，4，5，f_r代表谐振频率，Q代表品质因数，L_n代表谐振电感与励磁电感的比值，/>Lr是谐振电感，Lm是变压器的励磁电感，C_r代表是谐振电容，R_ac是LLC电路的等效电阻。

假设没有损耗，根据能量守恒定律：

式中，V_pv代表光伏板输出电压，I_pv代表光伏板输出电流，R_L代表变换器负载电阻，V_o代表变换器负载R_L上的电压，I_o代表流过变换器负载R_L的电流；

则变换器负载吸收功率P与电压增益G的关系式为

光伏板输出功率P_pv与光伏板输出电压V_pv的关系式为

I_sc和V_oc分别是光伏板的短路电流和开路电压，其中：

式中，C₁代表第一系数，C₂代表第二系数，V_m和I_m分别是光伏板最大输出功率时对应的输出电压和输出电流。

根据公式(4)-公式(10)推出光伏板输出功率P_pv与开关频率f_s的隐函数，即P_pv与f_s的函数关系式如下：

P_pv＝P(f_s) (11)

从公式(7)和公式(8)可得出，固定输出负载，改变开关频率f_s时，光伏输出功率P_pv与变换器负载吸收功率P的关系曲线，谐振频率f_r为130kHz，如图3所示，从图3中可以看出，不同开关频率f_s对应的光伏电池输出功率P_pv不同，故改变开关频率可找到最大功率点；

本实施中绘制的P_pv-f_s曲线图如图4所示，图中横坐标为开关频率f_s，纵坐标为光伏板输出功率P_pv。

步骤3.2，将P_pv-f_s曲线图划分为三部分，分别为 和/>

步骤3.3，判断的符号，若为负，则最大功率点位置在内，取a值大于1.1，b值小于0.9，若为正，进入步骤3.4；

步骤3.4，判断的符号，若为正，则最大功率点位置在内，取a值小于0.9，b值大于1.1；若为负，则最大功率点位置在内，取a和b的值在[0.9，1.1]内。

步骤4，根据光伏板输出功率P_pv与开关频率f_s的隐函数计算出当前三个开关频率f₃，f₄，f₅对应的光伏板输出功率，找出其中的光伏板最大输出功率P_max和光伏板最小输出功率P_min，其中

P_max＝max{P_pv(f₃)，P_pv(f₄)，P_pv(f₅)} (12)

P_min＝min{P_pv(f₃)，P_pv(f₄)，P_pv(f₅)} (13)

式中，P_pv(f₃)为第三开关频率f₃对应的光伏板输出功率，P_pv(f₄)为第四开关频率f₄对应的光伏板输出功率，P_pv(f₅)为第五开关频率f₅对应的光伏板输出功率。

步骤5，判断P_max与P_min的差值是否小于所预设收敛的误差值ξ，此实施例中误差值ξ＝1，若小于，进入步骤7，否则进入步骤6；

步骤6，根据P_max更新f₁，f₂，f₃的值，若P_max＝P(f₃)，则f₁＝f₄，f₂＝f₅，f₃＝f₃，若P_max＝P(f₄)，则f₁＝f₁，f₂＝f₃，f₃＝f₄，若P_max＝P(f₅)，则f₁＝f₃，f₂＝f₂，f₃＝f₅，再根据更新后的频率f₁、f₂、f₃，以及公式(2)和(3)更新频率f₄和f₅，最后进入步骤4；

步骤7，得出最终的最大功率P_max＝P_pv(f₃)，即完成基于LLC拓扑光伏发电系统最大功率点的追踪，输出最大功率对应的频率f₃，将频率f₃转化为脉冲信号，驱动光伏发电系统中开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄的通断，即将光伏发电系统控制在最大功率点上。

可通过比较各个开关频率对应的光伏板输出功率大小，反推出光伏板输出最大功率点对应的开关频率f_mpp，比较P(f₃)，P(f₄)，P(f₅)功率值，如果P(f₄)≤P(f₃)、P(f₃)≥P(f₅)，开关频率区间[f₄，f₅]作为下一个四等分区间；如果P(f₄)≤P(f₃)、P(f₄)≥P(f₅)，开关频率区间[f₁，f₃]作为下一个四等分区间；如果P(f₃)≤P(f₅)、P(f₅)≥P(f₄)，开关频率区间[f₃，f₂]作为下一个四等分区间。

通过以上分析知，比较三个中值开关频率对应光伏板输出功率大小，一旦确定P(f₃)、P(f₄)、P(f₅)中最大值，就会重新确定等分区间进行最大功率点搜索，开关频率搜索步长逐渐减小，直到满足预设收敛误差。

Claims (7)

1.一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对光伏发电系统进行软起动；

步骤2，采集软起动后光伏板的输出电流I_pv，判断所述电流值是否大于阈值η，若大于，进入步骤3，否则进入步骤1；

步骤3，根据LLC电路的最小开关频率f_min和最大开关频率f_max确定第一开关频率f₁和第二开关频率f₂，f₁＝f_min，f₂＝f_max，通过f₁和f₂计算出[f₁，f₂]内的第三开关频率f₃，第四开关频率f₄和第五开关频率f₅，其中

式中，a和b都是常数，且a+b＝2；

步骤4，计算出当前三个开关频率f₃，f₄，f₅对应的光伏板最大输出功率P_max和光伏板最小输出功率P_min；

步骤5，判断P_max与P_min的差值是否小于所预设收敛的误差值ξ，若小于，进入步骤7，否则进入步骤6；

步骤6，根据P_max更新f₁，f₂，f₃的值，再根据更新后的频率f₁、f₂、f₃，以及公式(2)和(3)更新频率f₄和f₅，然后进入步骤4；

步骤7，得出最终的最大功率P_max＝P_pv(f₃)，即完成基于LLC拓扑光伏发电系统最大功率点的追踪，输出最大功率对应的频率f₃，将频率f₃转化为脉冲信号，驱动光伏发电系统中开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄的通断，即将光伏发电系统控制在最大功率点上。

2.根据权利要求1所述的一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤3还包括以下步骤：

步骤3.1，绘制P_pv-f_s曲线图，P_pv为光伏板输出功率，f_s为开关频率，s＝{1,2，……，n}；

步骤3.2，将P_pv-f_s曲线图划分为三部分，分别为 和

步骤3.3，判断的符号，若为负，则最大功率点位置在/>内，取a值大于1.1，b值小于0.9，若为正，进入步骤3.4；

步骤3.4，判断的符号，若为正，则最大功率点位置在内，取a值小于0.9，b值大于1.1；若为负，则最大功率点位置在内，取a和b的值在[0.9，1.1]内。

3.根据权利要求2所述的一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤3.1中，根据光伏板输出功率P_pv与开关频率f_s的函数关系绘制P_pv-f_s曲线图，P_pv与f_s的函数关系如下：

LLC谐振电路的电压增益表达式为

式中，G代表电压增益，F_x代表标准化频率，f_r代表谐振频率，Q代表品质因数，L_n代表谐振电感与励磁电感的比值，/>Lr是谐振电感，Lm是变压器的励磁电感，C_r代表是谐振电容，R_ac是LLC电路的等效电阻；

假设没有损耗，根据能量守恒定律：

式中，V_pv代表光伏板输出电压，I_pv代表光伏板输出电流，R_L代表变换器负载电阻，V_o代表变换器负载R_L上的电压，I_o代表流过变换器负载R_L的电流；

则变换器负载吸收功率P与电压增益G的关系式为

光伏板输出功率P_pv与光伏板输出电压V_pv的关系式为

I_sc和V_oc分别是光伏板的短路电流和开路电压，其中：

式中，C₁代表第一系数，C₂代表第二系数，V_m和I_m分别是光伏板最大输出功率时对应的输出电压和输出电流；

根据公式(4)-公式(10)推出光伏板输出功率P_pv与开关频率f_s的隐函数，如下：

P_pv＝P(f_s) (11)。

4.根据权利要求3所述的一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤4中，根据光伏板输出功率P_pv与开关频率fs的隐函数计算出开关频率f₃，f₄，f₅对应的光伏板输出功率，其中

P_max＝max{P_pv(f₃)，P_pv(f₄)，P_pv(f₅)} (12)

P_min＝min{P_pv(f₃)，P_pv(f₄)，P_pv(f₅)} (13)

式中，P_pv(f₃)为第三开关频率f₃对应的光伏板输出功率，P_pv(f₄)为第四开关频率f₄对应的光伏板输出功率，P_pv(f₅)为第五开关频率f₅对应的光伏板输出功率。

5.根据权利要求4所述的一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤6中，根据P_max更新f₁，f₂，f₃的值，若P_max＝P_pv(f₃)，则f₁＝f₄，f₂＝f₅，f₃＝f₃。

6.根据权利要求4所述的一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤6中，根据P_max更新f₁，f₂，f₃的值，若P_max＝P_pv(f₄)，则f₁＝f₁，f₂＝f₃，f₃＝f₄。

7.根据权利要求4所述的一种基于LLC拓扑光伏发电系统的MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤6中，根据P_max更新f₁，f₂，f₃的值，若P_max＝P_pv(f₅)，则f₁＝f₃，f₂＝f₂，f₃＝f₅。